基于ROS的室內變電站設備巡檢機器人定位技術

鄧立林

（寧波智電電力科技有限公司，浙江 寧波 315000）

基于ROS的室內變電站設備巡檢機器人定位技術

鄧立林

（寧波智電電力科技有限公司，浙江 寧波 315000）

在我國經濟不斷發展的形勢下，對電力系統的供電質量要求也越來越高，也推進了電力系統的現代化自動化進程，對于變電站設備巡檢機器人的要求也有所提升。室內變電站設備巡檢機器人要想完成巡檢任務就需要定位準確。而巡檢機器人在巡檢工作中還存在一定的問題.文中就圍繞室內變電站設備巡檢機器人的定位問題進行研究，并且對ROS系統軟件以及室內定位技術進行分析。

ROS；室內變電站設備；巡檢機器人，定位技術

在我國目前電力行業已引進了機器人技術，來實現對變電站設備的巡檢工作，而采用機器人進行巡檢工作面臨的就是機器人運行中的定位問題。以下就對機器人定位技術進行分析，并且對機器人在ROS基礎上實現定位的方法進行研究，在ROS系統軟件的支持下，實現機器人的準確定位，為機器人提供更好的應用前景。

1 ROS的開發進程

ROS是由Ubantu的基礎上產生的，在機器人操作和控制系統中得到廣泛應用，是一種系統軟件框架。ROS集合了當下最流行的服務軟件技術，可以說是集諸多優點與一身。ROS是通過網絡協議作用于節點與數據，因此，可以實現對不同語言和功能的代碼集成。ROS的作用就是可以完成對代碼的復用，是在不改變原代碼的基礎上，將代碼在不同類型機器人上進行復用，由于這一特點，機器人的開發人員可以對不同機器人的功能進行復用，避免重復編寫代碼帶來的時間浪費。

ROS是在2007年由StanfordUniversity人工智能實驗室在斯坦福的AI機器人項目中研發的一款技術控制軟件。自2008年就由WillowGarage公司以及20多家研究機構共同研發。至今，已經有多家研發機構加入到研發團隊中，同時，也有眾多公司將公司產品向ROS擴展。ROS旨在為軟件提供操作環境，它通過節點進行功能的組織與復用，通過對ROS庫的使用可以隨時使用其他人開發出的資源。目前，較為成熟的ROS產品還較少，由于ROS展現出了良好的發展前景。為了推動ROS在工業領域的應用，在2013年由多家機構聯合創建了ROS-Industrial聯盟，該組織的成立是為了實現先進技術的發展。

2 變電站巡檢機器人的研究現狀

我國自2010年開始了ROS的研發工作，在市場需求的影響下，2012年又有一批科研機構投入其中。當前，我國對ROS的研發工作已經初具成效，但是研發出的科技產品還是無法達到市場的需求，而與發達國家相比，也還是處于ROS研發的初級階段。電力機器人的研發工作早在改革開放以后就已經開始了，由于生產所需的電力增多，致使變電站的巡檢工作增多，這就推進了電力行業現代化自動化發展的進程。同時，變電站巡檢機器人的研究工作也得到了國家的大力支持。

某研究院對變電站巡檢機器人的國家項目進行研發，且在2012年在其他研究院校的幫助下推出第三代與第四代變電站巡檢機器人，這兩代機器人成功的投入到變電站巡檢工作中。同年，某自動化研究機構也研發出了一款可以在冰雪環境下進行巡檢的機器人。

3 巡檢機器人的工作流程及問題

（1）巡檢機器人的工作流程。室內變電站巡檢機器人的工作內容是移動機器人根據設定好的路線對室內變電站內部的設備運行情況進行巡檢，另外一種是相關人員對移動機器人進行遠程操控來完成巡檢工作。室內變電站的設備包括電壓變換器、斷路器、真空開關及電力線等，巡檢機器人需要完成的是對這些設備的運行情況和數據讀取是否正常進行檢測，做到對變電站的實施監控，為電力系統的穩定提供支持。圖1為移動機器人的巡檢流程。

（2）巡檢機器人巡檢過程中的問題。變電站內的環境比較復雜，移動機器人要想完成對室內變電站的巡檢工作，就需要有較強的抗干擾性，并且具備定位準確優勢。作為室內變電站的巡檢機器人必須具備精準的定位與導航能力，這樣才能實現自動化與智能化。變電站內部的設備多為金屬材質，且流通的電壓與電流較大。而內部的設備又較為密集，致使周圍的磁場受到影響，沒有規律可循。在巡檢機器人采用磁敏傳感器時，一旦靠近變電站設備就可能受到周圍磁場的影響導致機器人失去作用，為此，在室內變電站的巡檢工作中應該避免使用磁敏傳感器的機器人。

當前變電站巡檢機器人比較常采用的導航定位方式是埋入式加RFID的方式。具體操作方式是將磁導軌按照需要巡檢的路線埋入地下約為1cm的位置，并且在需要檢測的設備上加RFID卡，以這種方式來實現導航定位的目的。然而，這種方式有一定的弊端，就是巡檢機器人的路線固定，缺乏靈活性，同時在施工方面工程也較為巨大，資金的投入也較多。電力公司對巡檢機器人的要求是能夠順利完成巡檢工作；不能對變電站內的設備產生破壞；機器人的運行安全可靠；可以有效減少人工巡檢的任務量。然而這種導航定位方式并不完全符合電力行業的需求，為此，需要相關研發機構加快對變電站機器人定位技術的研發進程，為變電站的巡檢工作帶來便利。

4 移動機器人室內定位技術

定位指的是機器人在移動的過程中通過自身的感知系統對所在的位置進行三維確定，這一過程就是機器人定位的過程。移動機器人的準確定位與導航是實現自動化和智能化的基礎。只有精準的定位才能有序的進行巡檢工作，下面就對現存的幾種定位方式進行闡述。

（1）軌跡推測定位。軌跡推測實際上是一種位置推算法，這種方式的使用需要在確定機器人起始位置的前提下，在傳感器的作用下，對移動的里程等單位為參考通過推算的方式對機器人的位姿進行估計。航跡推測的優勢是對外部環境的限制可以忽略不計，較為適合室內環境的巡檢工作，隧道和山洞也可以適用。弊端是長時間的使用會出現累計誤差的情況。

（2）地圖匹配定位。地圖定位體現的是全局性定位。地圖匹配實現定位的原理是通過采集當前環境的相關信息，與原有的地圖進行對比，以此獲得機器人的位置信息。地圖匹配定位在精準度上有一定的優勢，并且更加直觀，對于需要進行坐標系交換的情況和多種傳感器的情況比較適用。弊端是無法自動適應環境的變化，如果環境變化較大時位置確定準確度也會隨之降低，并且計算量較大，在地圖不斷擴大的情況下，定位所需的時間也會隨之延長。

（3）基于路標的定位。路標是移動機器人在空間中運動時所能辨識的一類特征，如RFID。一般情況下，路標的位置是固定和己知的，機器人通過傳感器檢測路標并進行識別進而確定機器人在全局中的位置。基于路標的定位，其優點是定位精度相對較高，便于實現。其缺點是路標安裝數量大、維護費用高，且定位精度在很多程度上受到路標布局影響。

5 ROS平臺上的定位技術

（1）巡檢機器人系統。在整個巡檢機器人系統中，ROS是整個系統的核心，其負責了對機器人本體的頂層控制，對設備巡檢儀器的頂層控制，對環境信息和自身狀態的頂層控制以及對通信系統的頂層控制。在ROS平臺上進行機器人定位系統的開發需要按照ROS的標準進行各項開發，包括節點的組織、信息的傳遞、功能系統組織等。在ROS中，功能一般是通過節點實現的，一個功能就是一個節點。系統功能的實現就是在ROS管理器控制下按照一定方式進行各種節點的組合，然后進行消息的傳遞與處理。

（2）巡檢機器人功能組織。節點能夠通過主題、服務或參數服務器與其他節點進行通信。在通過服務方式進行通信時，節點之間是直接連接的，ROS的控制器只是提供了相應的查詢信息，當查詢到匹配信息時，在同意連接的基礎之上建立連接，此后對應的節點之間直接通信，將不會通過控制器的查詢工作，而是節點通過服務的方式進行通信，也就間接將節點連接在了一起。

（3）巡檢機器人功能實現。在ROS平臺上，主要使用C，C++和python進行編程。按照一個節點一個功能的組織方式，編制了激光傳感器節點、慣性測量單元節點、里程計節點、Kartomap節點、粒子濾波節點等，其他節點采用原有節點。在ROS平臺上，各功能以節點形式存在，是相互獨立又是相互依存的。獨立是因為每個節點就是一個能獨立運行的功能。相互依存是因為眾多節點結合在一起才能共同完成復雜多變的任務。

6 結語

在ROS系統框架得以發展的形式下，各個領域對ROS系統框架的利用率也有所提升，特別是電力事業在發展的過程中，規模不斷擴大，變電站的巡視工作需要投入大量的人員，這將是一筆很大的開銷，不利于減員增效的工作目的。而原有的機器人定位技術在準確度與具體實施過程中都有一定難度，因此，我們需要加強對ROS系統平臺的應用，使變電站的巡視工作和機器人定位技術更具可靠性。

[1]趙浩然．變電站巡檢機器人導航定位系統研究[J]．文摘版:工程技術,2015(41):251-253．

[2]沈俊,張華,肖宇峰等．基于ROS的多數據融合定位方法[J]．輕工科技,2016(1):83-84．

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1671-0711（2017）10（上）-0121-02